大地电磁法在新疆阜康地区深层地下水矿化度评价中的应用研究

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(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

大地电磁法在新疆阜康地区深层地下水矿化度评价中的应用研究

田蒲源，朱庆俊，刘玉星，杨晓光

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

深层地下水勘查的地球物理手段一般包括可控源音频大地电磁测深、大地电磁测深和二维地震勘探等方法。本文以新疆阜康地区深层地下水为研究对象, 采用大地电磁法对该区域深部咸水含水层进行识别和评价，探索建立深层地下水矿化度的推算方法。通过分析电阻率值分布特征，并结合地层岩性、孔隙度、地温梯度等影响地层电阻率的重要参数，建立了定量计算地下水矿化度方法。研究结果表明，利用大地电磁法推算深层地下水矿化度的技术勘查方法相对可行，评价结果与已有地下水矿化度资料较为符合。但同时大地电磁法属于粗放的电磁类勘查方法，对地下水矿化度特征进行的是定性分析，勘查精度无法满足地下水矿化度精细分层的需要，在精细勘查中需谨慎采用。研究结果以期给国内同行提供参考。

大地电磁法；电阻率；孔隙度；地温梯度；地下水矿化度；阜康地区

随着人口增加，经济发展，对地下水资源的需求越来越多。由于地表水开发利用程度接近极限或者因污染而不能利用，浅层地下水开采程度很高以至疏干，或者因浅层地下水属于劣质水无法利用等种种原因，当深层微咸水、咸水开采淡化处理后，即可应用于工业、农业和民用供水。我国现代盐湖面临采卤不足、地下卤水品质下降、储量减少、地下卤水水位下降液体矿固化等问题，使中国制盐业及其相关产业面临巨大困扰，开发地下深部卤水资源，可补充盐湖卤水资源的不足。深部咸水层是二氧化碳地质储存的主要目标层位，通过将二氧化碳注入深部咸水层，使之驱替高附加值液体矿产资源(例如锂盐、钾盐、溴素等)，不仅可实现CO2长期储存的过程，在一定程度上控制气候变化等环境问题，而且可提高钾、锂等稀缺矿产资源保障。因此，查明深层地下水咸水层(地下水矿化度)具有重要意义。

目前国际上针对深层地下水勘查开发的研究仍处于起步阶段，可用于深层地下水勘查的地球物理手段一般包括可控源音频大地电磁测深、大地电磁测深以及二维地震勘探等。国内外在采用地球物理手段勘查地下咸水层空间分布研究领域，公开发表文献里仅有通过电阻率测深法、音频大地电磁测深、可控源音频大地电磁测深等几种方法查明浅部地层电阻率断面，推测浅层地下淡水层空间分布特征的记载[1]。有关深层地下水及超深层地下水(1 000 m以深)矿化度的勘查研究工作国内外目前仍处于空白状态。2016年，中国地质调查局在新疆阜康市开展大地电磁测深法推测深部地下水矿化度的勘查工作，采用大地电磁法识别和评价深部咸水含水层，探索建立深层地下水矿化度的推算方法，通过电阻率值分布情况结合地层岩性、孔隙度、地温梯度等影响地层电阻率的重要参数，建立定量计算地下水矿化度方法。本文将介绍这种方法的理论及实际应用，以期给同行提供一些参考。

1 区域水文地质条件

1.1 区域地质及构造背景

工作区地处准噶尔盆地东部，南起天山北麓，北至沙漠北缘、可分两带，北带为沙漠，南带为天山北麓山前平原，是主要农业区。出露地层有古生界石炭系、二叠系，中生界三叠系、侏罗系、白垩系，及新生界古近—新近系、第四系，以泥岩、砂岩、泥砂岩、页岩为主。

准噶尔盆地是自晚石炭世以来经历多期构造运动叠加而成的复合型盆地。三叠系不整合面以下构造形态主要表现为石炭—二叠系变形后所形成的隆均相间的构造格局，其发展演化对盖层的沉积具有控制作用。根据基底隆均构造格局、隆拗边界性质、沉积盖层建造演化类型、深、浅构造层变形特征的差异及区域性断裂对地层沉积的控制作用，可将准噶尔盆地及其周缘划分为6个二级构造单元和44个三级构造单元。

1.2 深层地下水赋存特征

准噶尔盆地四周高，中间低。古近系及古近系以下各时代沉积岩层，基本上构成了一个大向斜。这个大型向斜盆地，从水文地质观点看，就是一个大型的承压自流水盆地，由于四周山区地势高，有河流水和凝结水的渗入补给，所以盆地内各时代沉积岩层中均有层间承压水存在。已在第四系(砂砾岩和泥岩的互层中)、古近系、白垩系、侏罗系、三叠系、石炭系的钻孔中都发现了承压水，大多数能以自喷或自溢的方式流出地面。

受阿尔泰山脉补给的盆地北部承压自流水，可向南延伸到乌伦古河南岸地区；受天山山脉补给的盆地南部承压自流水，分布很广泛，向北延伸到克拉玛依地区、盆地中央地区、克拉美利山前地区；受西部山区补给的承压自流水数量少，范围小，仅局限于盆地西北缘地区，如位于克拉玛依与乌尔禾之间的百口泉地区第三系小型自流水盆地，是受西部山区的山杨河、克拉苏河、达尔布图河的下渗补给的，自流水分布面积仅500 km2。

在各时代地层中，自新至老，承压自流水的矿化度由小变大，即水质由好变差。

埋藏深度小于300～500 m的上第三系新统独山子组砂砾岩层中的承压水，水质最好，大多数矿化度小于1 g/L，是新疆地区重要的生活饮用水源，如补给区与排泄区高差大，含水层岩性好，则独山子组的低矿化度承压水的分布深度可达1 000～1 500 m。

上第三系中新统和下第三系的承压水水质较差，乌伦古河地区下第三系承压自流水，矿化度为2～3 g/L；独山子背斜的中新统和下第三系承压水矿化度较高，属于油田水。

白垩系上部含水层在个别地区，如西北缘百口泉地区，矿化度不大，水质略好，以下层位即白垩系中下部、侏罗系、三叠系、二叠系和石炭系的承压自流水的矿化度较高，不能作生活饮用水源，矿化度一般自上而下加大，但矿化度与含水层埋藏深度不成正比或线性关系，矿化度和水型的变化主要受古水文地质封闭条件和含水层岩性所决定。盆地内以风成城地区石炭—二叠系的承压自流水矿化度最高，为150 g/L，水型为NaHCO3型。

2 大地电磁法技术方法原理简介

大地电磁法是一种被动源电磁类物探勘查技术方法，观测的信号为天然电磁场，通过观测到不同频率的电磁波信号，依据不同频率的电磁波在导体中具有不同趋肤深度的原理，经过相关的数据处理和资料分析以获取地层由浅至深的电性结构。

通过利用相关仪器设备采集时间域两组正交的电场分量(Ex、Ey)和磁场分量(Hx、Hy、Hz)，经过频谱分析和Robust处理，计算得到阻抗张量数据Zij，进而可求得不同频率视电阻率值和相位，利用的计算公式如下：

(1)

(2)

其中，式(1)中f代表电磁波频率，ρij代表视电阻率；式(2)中Φij代表阻抗相位。

探测深度(趋肤深度)δ由公式(3)求得：

(3)

3 深层地下水矿化度推算公式

一般认为，松散类沉积岩的电阻率受岩石孔隙度、孔隙水矿化度、温度等因素的共同影响。

3.1 引用的经验公式

目前，国内在采用电法推测地下水矿化度研究领域，前人在新疆、甘肃等地做过一些研究工作，主要为采用电测深法、音频大地电磁法等技术手段获取地层的电阻率信息，综合地层孔隙度、地温梯度信息等参数，推测浅层地下水矿化度范围，在劣质水中寻找可供饮用的优质地下水。他们采用的地下水矿化度计算公式如下[2]：

(4)

其中，Δt=t0+tt·h-18，

式中，C代表孔隙地下水矿化度；α代表温度常数，通常取值0.025Ωm/℃；t0代表大地表层常温带温度(℃)；tt代表地温梯度(℃/m)；h表示为数据点的深度(m)；ρ代表地层电阻率值；β代表矿化度常数，对NaCl型孔隙水一般取值为-0.95。

地层因子F=ρ/ρ水=(3-Φ)/2Φ。

本次大地电磁测深法推测深层地下水矿化度工作以此公式为基础，尝试通过已有测井资料标定求取关键影响因子，构建适用于研究区公式，在此基础上开展深层地下水矿化度推算工作。

3.2 工作区地下水矿化度评价

大地电磁勘查结果显示：研究区新近系地层视电阻率值稍高于白垩系及侏罗系地层视电阻率值，新近系、白垩系及侏罗系地层实测视电阻率值主要受地层岩性、温度和地下水矿化度的控制。在利用实测视电阻率预测工作区地下水矿化度变化时，需综合地质资料、钻孔资料和测井资料。通过前期收集到的中石化石油井(编号董7井)资料显示，5 365 m深度钻井液温度为75.9℃，工作区年均气温6.7℃，由此计算出地温梯度并推算出不同深度的温度值；根据已有资料统计孔隙度随深度的变化并计算出不同深度孔隙度值，在此基础上，可忽略岩性变化对电阻率值的贡献，主要考虑地下水矿化度变化对地层电阻率值的影响，完成上述两项工作之后，利用实际视电阻率值预测工作区地下水矿化度变化规律。根据收集到的中石化石油井编号为董7井及董2井资料，计算出地层孔隙度与深度的关系式：

Φ=(5 768.5-h)/18 840

(5)

式(5)中，Φ为地层孔隙度，h为对应深度。

将式(5)代入式(4)，则工作区孔隙构造地层地下水矿化度评价基本公式可简为下式：

(6)

其中ρ为反演后地层电阻率值。

综上所述，本次工作对地层地下水矿化度评价依据公式(6)开展。首先获取地下水矿化度分布断面，在此基础上，与钻孔资料和水样化验结果进行对比，对工作区地下水矿化度评价公式进行修正，再重新预测工作区地层水矿化度分布规律，以期接近地下水水质特征的真实面目。在此需要说明的是：大地电磁法本身是一种较为粗放的电磁类勘查方法，仅能通过获取的视电阻率断面结果来进行定性的地下水矿化度特征分析，其勘查精度无法满足地下水矿化度精细分层的需要。另外，由地质构造如断层引起的低阻会导致矿化度评价的误差；由地面高压线等造成的强电磁干扰影响将造成电阻率结果不准确，引起矿化度评价误差；电阻率值受岩性和矿化度、温度等多重因素的影响因而根据视电阻率值计算出来的矿化度断面结果难免会有误差。

4 勘查结果分析

大地电磁法测深工作在新疆阜康市北部古尔班通古特沙漠南缘开展，Ⅰ剖面勘查工作为近东西向布设，以剖面穿过董7井及董2井为基准，由西至东布设，共布设测点34个，点距约500 m，测线长度16 500 m。大地电磁法勘查工作采用的仪器为加拿大凤凰公司生产的V8多功能电法仪，单点采集时长为约8 h。勘查结果见图1。

图1上为EMAP处理后的视电阻率等值线图，由图可知，视电阻率等值线纵向梯度变化较小，剖面视电阻率值纵向分布特征由浅到深呈低—高—低的趋势，视电阻率分布范围为2 ～30 Ω·m。通常而言，新近系、古近系、白垩系由于沉积地层岩性多为泥岩、泥质砂岩、砂岩及其互层，地层的电性差异较小，仅依靠电阻率值差异划分地层时代难度较大。由于新近系、古近系、白垩系地层岩性差异较小，地层电阻率值受矿物质组成(含砂量)、地下水富集度、地下水矿化度等因素共同影响。图1为使用公式14计算处理得到的地下水矿化度推测结果，由图可知，地下水矿化度呈现高—低—高的变化特征，其矿化度分布范围为约1.0～40 g/L。

(上)视电阻率等值线图 (下)地下水矿化度分布图

5 结语

本次在新疆阜康市开展大地电磁法推测深部地下水矿化度的勘查工作，通过分析视电阻率特征结合地层孔隙度、地温梯度以及地层因子等参数推算深层地下水矿化度的技术勘查手段，取得了较好的结果，与已有地下水矿化度资料较为符合，由此可见，通过大地电磁法视电阻率结果推算深层地下水矿化度分布范围是一种可取的技术手段。但是，在使用过程中，由于大地电磁法是一种较为粗略的电磁法勘查技术，仅能取得大尺度深度的电阻率值(往往跨越几百米深度才能获取一个频点的电阻率值信息)，无法满足精细勘查的需要。在通过此方法计算深层地下水矿化度时，对地质模型做了简单的假设，但实际的地质信息可能十分复杂且变化剧烈，因此，通过本方法推算的深层地下水矿化度信息与实际可能存在较大的误差。

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TheapplicationofmagnetotelluricmethodintheevaluationofdeepgroundwatersalinityinFukangregionofXinjiang

TIANPu-yuan，ZHUQing-jun，LIUYu-xing，YANGXiao-guang

(China geological survey hydrogeological environment geological survey center, Baoding,Hebei,071051, China)

Geophysical methods of deep groundwater exploration generally include methods such as controlled source audio earth electromagnetic sounding, earth electromagnetic sounding and 2d seismic exploration. This paper based on deep groundwater in Xinjiang Fukang area as the research object, uses the magnetotelluric method identification and evaluation of the regional deep saline aquifers, explores the establishment of deep groundwater salinity calculation method. Through the analysis of distribution characteristics of resistivity values, combined with the important parameters affecting the lithology, such as :porosity, geothermal gradient resistivity, and established the groundwater salinity quantitative calculation method. The research results show that using magnetotelluric method calculate deep groundwater salinity technology exploration method relatively feasible, the evaluation results is consistent with the existing groundwater salinity data. But at the same time the magnetotelluric method belongs to extensive electromagnetic exploration method, the groundwater salinity characteristics is the qualitative analysis, the survey precision can not meet the needs of groundwater salinity stratification in the fine, careful monitoring should be adopted in fine exploration. The results of this study are expected to provide reference for domestic counterparts.

magnetotelluric method；the resistivity；porosity；geothermal gradient；groundwater salinity；Fukang region

P641.5

A

1004-1184(2017)05-0012-03

2017-05-04

中国地质调查局地质调查项目：“准噶尔等盆地二氧化碳地质储存综合地质调查”(121201012000150010)资助

田蒲源 (1983-)，男，河北保定人，工程师，主要从事物探技术应用及地下水勘查等方面研究工作。